Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РАЗДЕЛ 2. Белковые вещества
Лекция 2-3. Строение и роль белковых веществ
ВОПРОС 1.
Белки в питании человека занимают особое место, так как выполняют ряд функций, свойственных только живой материи.
Все элементы клеток находятся в процессе обновления, распад уравновешивается ресинтезом, т.е. стационарное состояние фиксации равновесия. О нем свидетельствует скорость синтеза и распада белков тела. Постоянный обмен и обновление происходит между тканевыми белками и фоном свободных кислот, образующихся при переваривании пищи. В растущем организме скорость синтеза опережает распад. При голодании, заболеваниях наоборот. Наиболее быстро обновляются белки печени и слизистой оболочки кишечника (до 10 дней), медленно белки мышц (миозин), соединительные ткани (коллаген), мозга (миелин). Период обновления гормонов измеряется часами. Скорость обновления белков выражается временем, необходимым для обмена половины всех молекул – период полужизни (Т1/2). Средняя Т1/2= 3 недели для белков организма. Скорость синтеза белков у человека 500 г в день, что превосходит в 5 раз потребление их с пищей. Это происходит благодаря повторному использованию продуктов распада белков и предшественников аминокислот в организме.
переваривание
Белки пищи → Фонд свободных а.к.↔белки тканей
↓
СО2 Выводимый азот Энергия
Эффективность обмена белков зависит от количественного и качественного состава пищи. При его недостатке в пище распадаются белки тканей (печени, плазмы крови), а образующиеся аминокислоты расходуются на синтез ферментов, гормонов и др. в-в необходимых для поддержания жизнедеятельности организма. Если белков в пище много, то избыток выводится с мочей и значительно не влияет на обмен в-в. Состояние белкового обмена зависит от недостатка или отсутствия незаменимых аминокислот. Не синтезируются белки клетками организма, если в пище хотя бы одна аминокислота и если в кишечнике они разрушаются патогенной микрофлорой., плохо всасываются. Удаление аминокислот из организма с продуктами обмена обуславливает отрицательный азотистый баланс. Показатель азотистого баланса используется для степени обеспеченности белками организма. Это разность между количеством поступающего с пищей азота и количеством выводимого азота в виде продуктов обмена (г/сут). Положительный – количество поступающего азота больше. Характерен для молодого организма, беременных. Если равно соотношение – азотистое равновесие (взрослый здоровый человек). На обмен влияют жиры, калорийность пищи, витамины В1,2,6, РР, минеральные в-ва и гормоны. При низкокалорийной пище и гормоны щитовидной железы стимулируют распад, гормоны роста и половые – синтез белков. Т.о. организму нужна белковая пища, иначе патология и гибель.
ВОПРОС 2. Проблема дефицита.
Средняя суточная норма исследуется и отражается в решениях ВОЗ, ФАО. Величины ориентировочные, уточняются от возраста, пола, профессиональной деятельности, физиологического состояния, климата, национальных особенностей, степени загрязнения окружающей среды. По рекомендациям ВОЗ, ФАО оптимальна 60-100 г в сутки или 12-15% от общей калорийности пищи. Растительного происхождения 6-8%. В пересчете на кг массы тела – 1г, для детей 1,05-4 г/кг от возраста. Эти величины оптимальны для обеспечения здоровья человека. Для женщин 60-90 г/сут, 73-120 г/сут, для мужчин. Потребность увеличивается при инфекциях, хирургических вмешательствах, нарушениях пищеварения, дыхания до 110-120 г/сут, диабете 135-140, снижаются при почечной недостаточности до 20-40.
Сегодня на каждого жителя земли приходится около 60 г/сутки белка, при норме 70. Потребление белка на душу населения уменьшается. Снижение потребления с пищей связано с нехваткой пищевого белка. Это не только экономическая проблема, но и социальная. Связана с недоступностью пищевого животного белка во многих странах (тропическая Африка, Латинская Америка, Азия). Там население занято тяжелым сельхоз трудом, а обеспеченности в яйцах, мясе, молоке низка. Более развитые старны решают проблему рационального хранения и сбыта избытка животного белка и поиском новых ресурсов его.
Пути решения проблем:
ВОПРОС 3. Белково-калорийная недостаточность и пищевые аллергии.
Из-за экономической нестабильности и невозможности полноценно питаться развиваются ряд заболеваний: синдром дистрофии (квашиоркором). Богатая белком пища дорого стоит, дистрофия развивается при частичном (полном) голодании и при потреблении неполноценных белков. Заболевание сопровождается нарушением функции кишечника, т.к. с надлежащей скоростью не синтезируются ферменты поджелудочной железы и не обновляются клетки его слизистых оболочек. Начинается процесс прекращения усваивания белков. Развивается отрицательный азотистый баланс, нарушается водно-солевой обмен, атония мышц, остановнка роста. У младенцев квашиоркор может сопровождаться гибелью от диареи. Инфекций, заболеваний печени, отставание физическое, умственное. Уменьшается количество сывороточного альбумина, гемоглобина, липопротеидов низкой плотности (ЛНП). Развиваются специфические изменения: снижение активности гистидинаммиаклиазы и повышение активности гистидиндекарбоксилазы. Это вызывает накопление избытка гистидина в тканях. При недостатке триптофана снижается синтез никотиновой кислоты и накапливается ксантуреновая кислота, она угнетает бета клетки островков Лангерганса поджелудочной железы, возникает диабет. Тяжелые последствия недостатка белка невозможно лечить терапевтически, необходим поток белка с пищей. Поэтому решение белкового дефицита – решение проблемы охраны здоровья и жизни.
Отрицательную роль для организма играют пищевые аллергии на отдельные виды белковой пищи (молоко, яйца, орехи, злаки). При нормальном пищеварении белки расщепляются в ЖКТ до аминокислот, которые не являются аллергенами (антигенами) и не вызывают ответной иммунной реакции. Если в кровь попадают незначительное количество белков без расщепления, то организм поддерживает тренинг иммунной системы для защиты от действия чужеродных компонентов. При значительном поступлении аллергенов возникает острая реакция: зуд, высыпание на кожных покровах, кишечные расстройства. Природа явления не ясна. Предотвратить – грудным вскармливанием, нагреванием белков до 120С, диета.
ВОПРОС 4. Аминокислоты и их некоторые функции в организме.
Известно в природе 300 аминокислот:
А) входящие в состав белков,
Б) образующиеся из других аминокислот после включения последних в процесс синтеза белка (обнаруживают в гидролизатах белков),
В) свободные аминокислоты.
С точки зрения питания – эссенциальные (незаменимые) и заменимые.
Аминокислоты – полифункциональные соединения, содержащие минимум 2 разных группировки химические, реагирующие друг с другом с образованием пептидной (амидной) связи: С=О- NН.
Амино и карбоксильная группы присоеденены к одному и тому же атому углерода, который называется α-углеродом. Для понимания свойств надо знать следующее:
NН3- R-COOH (катионная)= NH3 – К – СOO (биполяный ион)= NH2 – К – СOO (анионная).
Нахождение в виде ионов обуславливает растворимость в воде и нерастворимость в неполярных растворах. Только лейцин, тирозин, изолейцин слабо растворимы. Ионное состояние обуславливает всасываемость в ЖКТ после гидролиза и транспорт. Способность к ионизации лежит в основе разделения их при ионообменной хроматографии и электрофорезе.
Поступая в кровяное русло из ЖКТ претерпевают изменения общего характера для обеспечения пластическим материалом синтеза белков, пептидов, осуществлении дыхания с образованием АТФ. Это реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования. Мы остановимся на специфических обменах.
Врожденные заболевания при нарушениях обмена аминокислот.
ВОПРОС 5. Значение незаменимых аминокислот.
Жизнедеятельность человека определяется ежедневным потреблением с пищей сбалансированной смеси, содержащей 8 незаменимых аминокислот и две частично заменимые. Незаменимые – ароматические (фенилаланин и триптофан), алифатические (лейцин, Валин, изолейцин, лизин), содержащие серу (метионин) и гидроксильную группу (треонин). Так как из метионина и фенилаланина в организме синтезируется цистеин и тирозин, соответственно, то наличие в пище в достаточном количестве этих двух заменимых аминокислот сокращает потребность в незаменимых предшественниках. К частично заменимым аминокислотам относят аргинин и гистидин, т.к. они хоть и очень медленно, но синтезируются в организме. Недостаточное потребление аргинина и гистидина с пищей у взрослого не сказывается на развитии, однако может возникнуть экзема или нарушиться синтез гемоглобина.
Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой кислоты приводит к отрицательному азотистому балансу, нарушению деятельности ЦНС, остановку роста, авитаминоз. Нехватка одной приводит к н7еполному усвоению других. Данная закономерность подчиняется закону Либиха, по которому развитие живых организмов определяется тем незаменимым веществом, которое присутствует в наименьшем количестве. Зависимость функционирования организма от количества незаменимых аминокислот используется при определении биологической ценности белков химическими методами. Широко используется метод Митчелла Х. и Р. Блока – метод аминокислотного скора. Скор выражают в % или безмерной величиной – отношение содержания незаменимой а.к. белка к ее количеству в эталонном белке.
Аминокислотный скор= мг а.к. в 1 г белка Х 100%
Мг а.к. в 1 г эталона
Аминокислотный состав эталонного белка сбалансирован и идеально соответствует потребностям организма. Данные опубликованы в 1973 г. ФАО и ВОЗ и уточнены в 1985. А.к., скор которой имеет самое низкое значение, называется первой лимитирующей аминокислотой. Значение скора этой аминокислоты определяет биологическую ценность и степень усваения.
Другой метод определения биологической ценности белков заключается в определении индекса незаменимых аминокислот (ИНАК). Это модификация химического метода скора, позволяет учитывать количество всех незаменимых аминокислот, рассчитывают по формуле:?
ИНАК= п√Лизб/Лизэ х Триб/Триэ х….х Гисб/Гисэ, п- число аминокислот, индексы б,э – содержание аминокислоты в изучаемом и эталонном белке, соответственно.
Помимо химических методов применяют и биологические с использованием микроорганизмов и животных. Основной показатель оценки прирост и привес за определенный период времени, расход белка и энергии на единицу привеса, коэффициенты перевариваемости и отложения азота в теле, доступность аминокислот. Показатель, определяемый отношением привеса животных (г) к количеству потребляемого белка (г), разработан П. Осборном и носит название коэффициента эффективности белка (КЭБ, 1919 г). Для сравнения показателя используют контрольную группу животных со стандартным белком – казеином, в количестве, обеспечивающем в рационе 10% белка. В опытах на крысах.
Животные и растительные белки заметно отличаются по биологической ценности. Животные белки – полноценные, растительные нет, т.к. низкое содержание в них лизина, триптофана, треонина и др. На основании анализа составляют рацион, диеты.
Наряду с аминокислотным анализом биологическая ценность определяется степенью усваения после переваривания. Степень зависит от структурных особенностей, активности ферментов, глубины гидролиза в желудочно-кишечном тракте и вида предварительной обработки белка при приготовлении пищи. Белки кожи не перевариваются, разваривание, протирание и измельчение ускоряет переваривание белка, нагревание при температурах выше 100С растительного белка затрудняет переваривание. Животные белки имеют более высокую усвояемость 90%, растительные 60-80%. В порядке убывания усвоения: рыба-молочные-мясо-хлеб-крупы. Причина плохого усвоения растительно белка – взаимодействие с целлюлозой, которая затрудняет доступ ферментов к полипептидам. Пнри недостатке в пище углеводов и жиров требования к белку возрастают, т.к. надо выполнять и энергетическую функцию. Если их много может идти синтез липидов и ожирение.
ВОПРОС 7. Строение пептидов и белков и их функции.
До середины прошлого века считалось, что пептиды не являются самостоятельным классом соединений, а продукты неполного гидролиза белков. В 1953 году В. Дю Виньо определил последовательность остатков аминокислот 2 гормонов гипофиза – окситоцина и вазопрессина – произвел их синтез химическим путем. Сегодня обнаружено много пептидов, которые обладают индивидуальной последовательностью а.к. и не встречаются в гидролизатах природных белков. Пептиды имеют невысокую молекулярную массу, широкий набор а.к. Название их по а.к. путем перечисления начиная с NH2-концевого остатка с добавлением суффикса – ил, кроме С-концевой аминокислоты, название которой без изменения: аланилвалилсерин. В природу есть 2 вида пептидов. Один синтезируется и выполняет физиологическую роль в процессе жизнедеятельности организма, другой образуется за счет химического или ферментативного гидролиза в организме и вне его. Пептиды, образующиеся вне, используются для анализа аминокислотной последовательности белков. С их помощью расшифрована а.к. последовательность фермента лизоцима, гормона инсулина…
Ферментное образование пептидов происходит в ЖКТ человека после переваривания белков пищи: в желудке под действием пепсина, гастриксина, в кишечнике- трипсина, химитрипсина, амино и карбоксипептидаз. Завершается ди и трипептидазами до свободных а.к. При разрыве белка пепсином пептиды в качестве N-концевых а.к. содержат фенилаланин и тирозин, С-концевых – глутаминовую кислоту, метионин, цисциин, глицин. Под действием трипсина С-концевые аргинин и лизин. Т.е. гидролиз обеспечивает структуру радикалов концевых а.к.
Для многих природных соединений установлена структура, разработаны методы аналдиза. Функциональная роль пептидов: вазоактивные, нейропептиды, гормоны, протекторы, антибиотики, вкусовые.
Пептиды – буферы – карнозин, ансерин, выполняют буферные ф-ции в мышцах животных и человека за счет имидазольного кольца гистидина, в них есть остаток бета аланина.
Гормоны – ваырабатываются клетками желез внутренней секреции и поступают в кровь для регуляции деятельности отдельных органов и организма в целом (окситоцин и вазопрессин задней доли гипофиза). Содержат 9 а.к. остатка, одну дисульфидную связь и на С-конце 0- амидную группу СОNH2. Стимулируют сокращение гладкой мускулатуры организма и секреции молока железой. Гормоны гипоталамуса (тиролиберин трипептид) участвуют в процессе высвобождения гормонов передней доли гипофиза. Тиролиберин контролирует освобождение тиротропина, который принимает участие в регуляции деятельности поджелудочной железы. Соматостатин регулирует гормон роста соматотропин, люлиберин регулирует лютропин (гормон деятельности половых органов).Меланотропин выделяется в кровь промежуточной долей гипофиза. Одноцепочечный пептид стимулирует образование пигмента, обуславливающего цвет глаз, волос. Глюкаккон (поджелудочной)– ускоряет распад гликогена.
Нейропептиды – определяют реакции поведения (боязнь, страх), влияют на процессы запоминания, обучения, регулируют сон, снимают боль. Их называют эндорфинами и энкефалинами. Это производные бета-липотропного гормона гипофиза.
Вазоактивные – влияние на тонус сосудов: брадикинин, каллидин, ангиотензин. Первый содержит 9, 10, 8 а.к. Синтезируются из нейроактивных белков-предшественников посттрансляционной модификацией.
Токсины – вырабатываются микробами, ядовитыми грибами, пчелами, морскими моллюсками, скорпионами. Их 5, продуцируемых бактериями стафилакока и 7 клостридиум ботилинум. А.к. у них много 239-296. Могут стать причиной отравления при употреблении пищи. Ботулинические токсины относятся к наиболее сильнодействующим ядам и вызывают смертельные отравления при использовании овощей, приправ, рыбы, фруктов без обработки. Энтеротоксины вырабатываются и сальмонеллой бактерией – лихорадка, бледная поганка содержит 10 циклических пептидов с массой 1000 Да Альфа-аманитин особо ядовит. Яд пчел влияние на ЦНС.
Антибиотики- грамицидин бактериальный бацилус бревис, сурфактин из б. субтилиус. Борьба с инфекциями стрептококковыми и пневмококавыми. Грамицидин может переносить ионы натрия и калия через мембраны клеток (ионофором).
Вкусовые пептиды – как подсластители, усилители вкуса – аспартам –эфир метиловый Л-альфааспартил Л- фенилаланина. В 180 раз сладче сахарозы. Образуются при распаде белков в сырах, молоке при участии протеаз молочно-кислых бактерий. Это низкомолекулярные гидрофобные соединения 2-8 а.к.
Протекторные пептиды – глутатион – трипептид (гаммаглутамилцисцеинглицин). Везде есть, но больше в дрожжах и зародышах пшеницы. Предохраняет свободные радикалы SH группы от окисления. Принимает действие окислителя, защищая белки (аскорбиновую кислоту), в транспорте а.к. через мембраны, обезвреживает соединения ртути, ароматические углеводы, перекисные соединения, предотвращает заболевания костного мозга, катаракты глаз. Восстановленная форма муки из проросшего зерна понижает упругие свойства клейковины и ухудшает качество хлеба.
Пептиды массой более 5000Да и выполняющие ту или иную функцию называют белками.
Первичная структура – полипептидная цепь и положение дисульфидных мостиков. Последовательность а.к. в цепи реализуется за счет пептидной связи, которая имеет частично двойной характер (1,32А), двойная – 1,27, одинарная 1,49. А это промежуточный характер. Многие белки состоят из нескольких полипептидных цепей, соединенных дисульфидными мостиками S-S между двумя остатками цистеина в одной цепи. Структуру надо знать для молекулярных основ биологической активности, для установления тех принципов, на основе которых формируются пространственные структуры от которых зависят физико-химические свойства белков., питательные и функциональные. Для определения структуры разрывают дисульфидные связи, затем определяют аминокислотный состав N- и С- концевую а.к. и порядок соединения. Разрыв – окислителем (надмуравьиной кислотой) или восстановителем. Состав а.к. определяют после гидролиза в 6Н НCL при 110С 24 ч в вакууме. Порядок соединения химически и ферментативно. Вторичная. Полипептидная цепь не лежит в одной плоскости, а альфа спирали благодаря водородным связям м-ду водородом ковалентносвязанным и кислородом, азотом отрицательно заряженным. Бета конформация фибриллярных белков – ряд листков. В образовании связей участвуют и электростатические и гидрофобные связи, но их энергия мала. Благодаря им образуются комплексы – фермент-субстрат, антиген-антитело, репрессор-ДНК. Электростатические м-ду противоположено заряженными полярными группами, гидрофобные – скопление заряда, обусловленного выталкиванием воды из пространства при близком взаимном расположении неполярных групп. Регулярную вторичную структуру образуют водородные связи.
Третичная. Роль изгибы, обусловленные присутствием а.к Валин. В изгибах отсутствует спирализованная структура. Общий признак пространственного расположения – локализация гидрофобных гр. Внутри молекулы, гидрофильных на поверхности.
Многие имеют четвертичную – комбинация субъединиц с одинаковой первичной или разной первичной, вторичной, третичной структурой. Субъединицы соединены нековалентными связями. (ЛДГ).
Особенности строения боковых цепей и расположение в пространстве определенным образом обеспечивают комплементарность контактируемых поверхностей или поверхностей белка с небелковыми соединениями по принципу ключ-замок. Механизм формирования структуры молекулы белка путем ассоциации спиралей и складчатых в-слоев. Этапы скручивания включают формирование 2 временно создающихся коротких спиралей, слоев, которые затем стабилизируются с образованием комплекса. Сформировавшиеся комплексы – единицы скручивания, далее выступают в роли самостоятельных центров, способных к взаимодействию с другими элементами вторичной структуры. Но путь, который приводит к формированию функционально активной структуры определяется конкретно.